Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một số thiết bị dùng trong hệ thống thông tin liên lạc trunking bộ đàm dải tần UHF

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một số thiết bị dùng trong hệ thống thông tin liên lạc Trunking bộ đàm dải tần UHF.” là sản phẩm của quá trình nghiê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



HOÀNG VĂN THUỲ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MỘT SỐ THIẾT BỊ DÙNG TRONG HỆ

THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC TRUNKING BỘ ĐÀM DẢI TẦN UHF

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NĂM – 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



HOÀNG VĂN THUỲ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MỘT SỐ THIẾT BỊ DÙNG TRONG HỆ

THỐNG THÔNG TIN LIÊN LẠC TRUNKING

BỘ ĐÀM DẢI TẦN UHF

Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 8510302.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TS BẠCH GIA DƯƠNG

NĂM – 2019

Đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến GS.TS Bạch Gia Dương – Giám đốc Trung tâm nghiên cứu Điện tử viễn thông, Khoa Điện tử viễn thông,

đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và góp ý chi tiết cho em trong quá trình thiết kế và hoàn thành các sản phẩm trong luận văn này

Tiếp theo, em xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy Cô đã và đang giảng dạy tại Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công Nghệ đã giúp

em có những kiến thức cơ bản để làm hành trang trí thức mang theo cũng như để hoàn thành luận văn này Kính chúc Thầy Cô luôn dồi dào sức khoẻ, thành công Cuối cùng, em xin cảm ơn đến anh chị em, các bạn trong trung tâm nghiên cứu Điện tử Viễn thông cũng như gia đình, bạn bè, đã luôn quan tâm, động viên

và giúp đỡ cho em trong thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một

số thiết bị dùng trong hệ thống thông tin liên lạc Trunking bộ đàm dải tần UHF.”

là sản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu của cá nhân dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của GS.TS Bạch Gia Dương và các thầy cô trong bộ môn, trong khoa Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực Tôi không sao chép các tài liệu hay công trình nghiên cứu của người khác để làm luận văn này

Trong luận văn có dùng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong tài liệu tham khảo

Nếu vi phạm tôi xin chịu mọi trách nhiệm

Hà nội, ngày… tháng… năm 2019

Người thực hiện

Hoàng Văn Thùy

MỤC LỤC

1 Lý do chọn đề tài 6

2 Mục tiêu đề tài 6

3 Phương pháp nghiên cứu 6

4 Kết cấu của luận văn 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG TRUNKING DẢI TẦN UHF 8

1.1 Giới thiệu 8

1.2 Cấu trúc của hệ thống 8

1.2.1 Bộ xử lý trung tâm (Tổng đài) – (MSO/Central Switch) 10

1.2.2 Trạm thu phát gốc 14

1.2.3 Bàn điều phối 15

1.2.4 Máy chủ UNS cho ứng dụng giám sát GPS 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 18

2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần 18

2.1.1 Phương trình truyền sóng 18

2.1.2 Hệ số phản xạ 19

2.1.3 Hệ số sóng đứng 20

2.1.4 Giản đồ Smith 20

2.2 Phối hợp trở kháng 22

2.2.1 Kỹ thuật phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung 23

2.2.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh/dây chêm 24

2.2.3 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây /4 24

3.1 Khái niệm bộ khuếch đại công suất 26

3.2 Các thông số quan trọng của bộ khuếch đại công suất 26

3.2.1 Hệ số tạp âm Noise Figure 26

3.2.2 Hệ số khuếch đại 27

3.2.3 Tính ổn định của hệ thống 29

3.2.4 Độ tuyến tính 29

3.3 Bộ chia cộng công suất Wilkinson 31

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ CHẾ TẠO 34

4.1 Yêu cầu thiết kế 34

4.1.1 Bộ khuếch đại công suất 34

4.1.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp 35

4.2 Giải pháp thiết kế 35

4.2.1 Bộ khuếch đại công suất 35

4.2.2 Bộ khuếch đại tạp âm thấp 37

4.3 Tính toán, mô phỏng 38

4.3.1 Mạch khuếch đại công suất 38

4.3.2 Mạch tạp âm thấp 42

4.4 Thực nghiệm, đo kiểm, đánh giá kết quả 45

4.4.1 Chế tạo Layout mạch in 45

4.4.2 Đo kết quả thực tế 46

KẾT LUẬN 57

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MSO Mobile Switching Office Tổng đài (chuyển mạch) di động

NMT Network Management Terminal Thiết bị quản lý mạng

ETI Enhanced Management Terminal Thiết bị quản lý kết nối điện

thoại UNS Unified Network Service Mạng dịch vụ ứng dụng

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

VMS Virtual Managerment Server Server quản lý ảo

NMS Network Managerment System Hệ thống quản lý mạng

PDR Packet Data Router Cổng giao tiếp dữ liệu

RNG Radio Network Gateway Cổng giao tiếp mạng vô tuyến CSA Common Server Architecture Cấu trúc quản lý mạng chung

RFDS Radio Frequency Distribution

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống Trunking 9

Hình 1.2: Máy chủ ảo 12

Hình 1.3: Trung tâm lưu trữ (DAS) 12

Hình 1.4: Lan Switch 13

Hình 1.5: Thiết bị định tuyến lõi 14

Hình 1.6: Core Backhaul Switch 14

Hình 1.7: Cấu trúc trạm gốc 14

Hình 1.8: Bàn điều phối 16

Hình 1.9: Mô hình ứng dụng GPS 17

Hình 2.1: Biểu diễn mạch tương đường đoạn đường truyền siêu cao tần 18

Hình 2.3: Sơ đồ phối hợp trở kháng 22

Hình 2.4: Mạch phối hợp trở kháng hình chữ L 23

Hình 2.5: Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh 24

Hình 2.6: Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi song song 24

Hình 2.7: Sơ đồ sử dụng đoạn dây /4 25

Hình 3.1: Sơ đồ của mạng 2 cửa thông số S 27

Hình 3.2: Mạng 2 cửa với nguồn và trở kháng tải 28

Hình 3.3: Điểm nén 1dB và Điểm chặn bậc 3 30

Hình 3.4: Mạch ghép chia công suất Wilkinson 31

Hình 3.5: Sơ đồ tương đương của bộ chia cộng Wilkinson 32

Hình 3.6: Sơ đồ tương đương bộ Wilkinson ở dạng hở mạch 32

Hình 4.1: Sơ đồ khối của bộ khuếch đại công suất 35

Hình 4.2: Hình dáng và cấu trúc chân của MRF648 36

Hình 4.3: Thông số trở kháng lối vào và lối ra của MRF648 36

Hình 4.4: Cấu trúc và chức năng từng chân của SPF-3043 37

Hình 4.5: Bảng tham số S-Parameter của Transistor SPF-3043 37

Hình 4.6: Mạch phối hợp trở kháng lối vào cho Transistor MRF648 38

Hình 4.7: Kết quả mô phỏng phối hợp trở kháng lối vào Transistor MRF648 38

Hình 4.8: Mạch phối hợp trở kháng cho MRF648 39

Hình 4.9: Kết quả mô phỏng mạch phối hợp trở kháng lối ra 39

Hình 4.10: Mạch mô phỏng của Wilkinson trên vật liệu FR4 40

Hình 4.11: Kết quả mô phỏng của mạch Wilkinson 40

Hình 4.12: Mạch Wilkinson thực tế 41

Hình 4.13: Mô phỏng mạch lọc thông thấp 41

Hình 4.14: Kết quả mô phỏng của bộ lọc thông thấp 41

Hình 4.15: Sơ đồ cơ bản của mạch phối hợp trở kháng 42

Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý của mạch phối hợp trở kháng lối vào 42

Hình 4.17: Kết quả mô phỏng tham S11, S21 lối vào 43

Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý của mạch phối hợp trở kháng lối ra 43

Hình 4.19: Kết quả mô phỏng tham S11, S21 lối ra 43

Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý của mạch LNA 44

Hình 4.21: Kết quả mô phỏng của mạch LNA 44

Hình 4.22: Layout của mạch khuếch đại 45

Hình 4.23: Mạch khuếch đại công suất sau khi đã đƣợc hàn linh kiện 45

Hình 4.24: Mạch lọc thông thấp sau khi đƣợc lắp ráp 45

Hình 4.25: Mạch khuếch đại LNA sau khi layout 46

Hình 4.26: Mạch khuếch đại LNA sau khi hàn linh kiện 46

Hình 4.27: Đo mạch cộng chia công suất Wilkinson 46

Hình 4.28: Công suất lối vào của bộ chia cộng công suất Wilkinson 47

Hình 4.29: Công suất lối ra của mạch Wilkinson tại tần số 450 Mhz 47

Hình 4.30: Công suất tại 2 lối ra của mạch Wilkinson 48

Hình 4.31: Công suất lối ra tại 2 cổng của mạch Wilkinson tại tần số 440Mhz 48 Hình 4.32: Đo bộ lọc thông thấp tại tần số 500Mhz 49

Hình 4.33: Đo bộ lọc thông thấp tại tần số 530Mhz và 570Mhz 49

Hình 4.34: Sơ đồ đo mạch khuếch đại công suất 50

Hình 4.35: Công suất tại lối vào của mạch công suất 51

Hình 4.36: Đo hệ số khuếch đại tại tần số 465Mhz 51

Hình 4.37: Kết quả đo công suất tại tần số 445Mhz 52

Hình 4.38: Kết quả đo công suất tại tần số 450Mhz 52

Hình 4.39: Kết nối mạch LNA với máy phát tín hiệu và máy phân tích phổ 53

Hình 4.40: Đo hệ số khuếch đại khi có một tầng 54

Hình 4.41: Đo hệ số khuếch đại của mạch khi có 2 tầng 55

Hình 4.42: Hệ số khuếch đại của mạch LNA khi có 2 tầng tại tần số 441Mhz 55

Hình 4.43: Hệ số khuếch đại của mạch LNA tại tần số 460Mhz 56

LỜI NÓI ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Đất nước ta đang đẩy nhanh tiến độ quá trình hoá nền cách mạng công nghiệp, phấn đấu để các bộ ngành đạt những tiêu chí của cách mạng công nghiệp 4.0 Hưởng ứng quá trình phát triển đẩy mạnh tiêu chí của cách mạng công nghiệp 4.0 ngành công an cũng đang từng bước thay đổi, hiện đại hoá các

hệ thống thông tin phục vụ các công tác nghiệp vụ cũng như nâng cao tính bảo mật Từ những hệ thống thông tin tương tự lỗi thời dần được thay đổi chuyển sang các hệ thống số hoá Trong khi đất nước chưa làm chủ được các công nghệ sản xuất, cũng như đặc thù phương thức liên lạc của các lực lượng chiến đấu trong công an, quân đội là liên lạc tức thì nhanh chóng, mệnh lệnh phải truyền đồng thời đến nhiều lực lượng chiến đấu tại một thời điểm Do vậy, thiết bị chúng ta phải đi nhập khẩu toàn bộ những trang thiết bị của nước ngoài, xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó bản thân nhận thấy chúng ta cần phải tự làm chủ để tạo ra được những thiết bị đó đặc biệt là những khối cao tần Chính vì vậy luận

văn “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một số thiết bị dùng trong hệ thống thông tin liên lạc trunking bộ đàm dải tần UHF” sẽ tập trung nghiên cứu thiết kế một

số phần tử của hệ thống như bộ khuếch đại tạp âm thấp, bộ khuếch đại công suất

2 Mục tiêu đề tài

Mục đích chính của đề tài luận văn là định hướng nghiên cứu và thiết kế một bộ khuếch đại công suất để nâng cao công suất phát của thiết bị nhằm mở rộng vùng phủ sóng cũng như những tổn hao khi ghép nhiều máy phát trên bộ Combiner Ngoài ra luận văn cũng thiết kế một bộ khuếch đại tạp âm thấp để khuếch đại tín hiệu thu được từ anten nhằm nâng cao chất lượng của tín hiệu thu đồng thời để nâng cao công suất của tín hiệu để đảm bảo tín hiệu chia tới nhiều máy thu trong một hệ thống Trunking Một số tham số được lưu ý và khảo sát bao gồm hệ số khuếch đại, băng thông , độ chính xác và độ ổn định…qua đó nâng cao vùng phủ sóng của hệ thống Trunking

3 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện được luận văn, phương pháp nghiên cứu gồm:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm kiếm, phân tích, tổng hợp lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần; nghiên cứu phần mềm mô phỏng mạch siêu cao tần ADS2009, phần mềm vẽ mạch in Altium Designer

2017

- Phương pháp mô phỏng và thiết kế: Trên cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu, thực hiện tính toán thiết kế và mô phỏng trên phần mềm cao tần ADS Sau khi đạt chỉ tiêu kỹ thuật tiến hành vẽ sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in PCB cho bộ khuếch đại công suất cũng như bộ khuếch đại tạp

âm thấp trên phần mềm Altium Designer 2017

- Phương pháp chế tạo và đo kiểm sản phẩm thực tế: Sau khi thiết kế xong mạch in, tiến hành gia công mạch in và hàn linh kiện Tiếp theo, sử dụng các thiết bị để đo các thông số của mạch Sau đó tiến hành đánh giá, hiệu chỉnh tối ưu thiết kế

4 Kết cấu của luận văn

Nội dung của luận văn gồm 4 chương:

- Chương 1: Tổng quan chung về hệ thống trunking

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật siêu cao tần

- Chương 3: Lý thuyết bộ khuếch đại công suất và chia cộng công suất

- Chương 4: Thiết kế, mô phỏng và chế tạo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG

TRUNKING DẢI TẦN UHF 1.1 Giới thiệu

Các hệ thống thông tin liên lạc trong những năm gần đây ngày càng đạt được những thành tựu vượt bậc và có tốc độ thay đổi chóng mặt Cùng với xu hướng đó các hệ thống thông tin dùng trong các lực lượng Công an, quân đội cũng ngày thay đổi theo nhằm đáp ứng những nhu cầu thực tiễn Thay vì những

hệ thống bộ đàm chung kênh tương tự từ trước những năm 2010 thì nay các hệ thống bộ đàm đã dần được nâng cấp thành các hệ thống Trunking, hệ thống Tetra, hay Apco 25… nhằm nâng cao chất lượng thông tin, tăng dung lượng người sử dụng, giảm thời gian chờ đợi mỗi cuộc, giảm tài nguyên tần số Đồng thời hệ thống Trunking cũng mang lại nhiều lợi ích như: thời gian truy nhập hệ thống nhanh, đa dạng các loại hình dịch vụ (khởi tạo nhanh các loại hình liên lạc: cá nhân, nhóm, toàn mạng…), khả năng mở rộng linh hoạt, tăng cường quản

lý, giám sát thiết bị

Hệ thống trunking số là hệ thống bộ đàm cho phép nhiều người sử dụng chung một tài nguyên vô tuyến mà vẫn liên lạc độc lập với nhau hoặc theo từng nhóm với nhau

Những tính năng và đặc điểm của thông tin trunking

- Thông tin bộ đàm không mất thời gian quay số chỉ nhấn nút là lập tức gọi được luôn

- Cung cấp nhiều hình thức liên lạc nhanh chóng: gọi nhóm, gọi cá nhân, gọi toàn mạng

- Gọi từ trung tâm điều phối giám sát

Sơ đồ mô hình kiến trúc tổng thể của hệ thống Trunking được mô tả như hình vẽ dưới đây [5]

Hình 1.1: Cấu trúc tổng quát của hệ thống Trunking

Một hệ thống Trunking bao gồm: một trạm trung tâm MSO, bàn điều phối vùng và trạm thu phát BTS, Máy chủ ảo UNS cho các ứng dụng GPS, tất cả được kết nối với nhau thông qua đường truyền IP

o Trạm trung tâm (Tổng đài trung tâm)

Trạm trung tâm xử lý tất cả các cuộc gọi của hệ thống, được trang bị các thiết bị như sau:

- Bộ điều khiển zone trung tâm (ZC), Thiết bị quản lý mạng (NM), Cổng giao tiếp dữ liệu (PDG)

- Thiết bị truyền dẫn mạng dự phòng

- Thiết bị kết nối điện thoại (ETI)

o Trung tâm quản lý mạng - Network Management Terminal

Hệ thống quản lý mạng bao gồm 3 trung tâm quản lý đầu cuối Trong

đó 1 sẽ được đặt ngay tại tổng đài MSO và 2 trung tâm quản lý từ xa

o Máy chủ UNS (Unified Network Service) cho các ứng dụng định vị GPS

o Hệ thống điều phối - Dispatch Control Site

Hệ thống điều phối bao gồm bộ điều phối trung tâm và các bàn điều

phối mở rộng việc này giúp cho việc quản lý được dễ dàng và thuận tiện

o Trạm thu phát gốc - Base Station Site

Các trạm thu phát gốc bao gồm: 1 trạm đặt tại trung tâm được trang bị các thiết bị chính như sau:

- Trạm gốc cung cấp kênh liên lạc

- Thiết bị điều khiển vùng Site Controller với cấu hình dự phòng

- Khối nguồn

- Hệ thống điều phối tần số vô tuyến (RFDS) bao gồm: Bộ khuếch đại công suất, Thiết bị ghép kênh phát Combiner & Thiết bị chia kênh thu Receiver Multicoupler có khuếch đại thu

- Thiết bị định tuyến vùng Site Router

- Hệ thống anten - Antenna System

1.2.1 Bộ xử lý trung tâm (Tổng đài) – (MSO/Central Switch)

Trạm gốc trung tâm sẽ là nơi điều phối, quản lý và xử lý các cuộc gọi thuộc hệ thống Trunking Thiết bị thuộc trạm trung tâm sẽ được mô tả ngắn gọn theo những thông tin dưới đây

Hệ thống Trunking được thiết kế dựa trên nền tảng cấu trúc quản lý mạng chung (CSA), qua đó tích hợp tất cả các phần mềm quản lý theo nguyên lý máy ảo (VM) trên thiết bị HP-based Virtual Management Server (VMS) thông qua hệ điều hành ESXi hỗ trợ VMware (virtual servers) Bằng cách sử dụng server dùng chung, các server ảo sẽ được dễ dàng chia sẻ bộ nhớ, tối ưu hóa việc mở rộng và linh hoạt trong việc vận hành cũng như cung cấp dịch vụ [5]

Ảo hóa là công nghệ cho phép nhiều hệ điều hành, nhiều ứng dụng có thể chia sẻ trên cùng một tài nguyên phần cứng Nếu không được ảo hóa thì mỗi thiết bị vật lý sẽ chỉ được chạy trên một hệ điều hành riêng, hay nói cách khác với mỗi dịch vụ sẽ cần có một thiết bị phần cứng do đó làm tăng chi phí thiết bị, tăng chi phí nguồn tiêu thụ cũng như không gian chiếm dụng

Một server quản lý ảo (VMS)bao gồm: các ứng dụng dựa trên máy ảo

- Virtual Machine (VM) applications, VMware và phần mềm hệ thống ESXi Mỗi môi trường máy ảo có thể được nhìn nhận như một server riêng biệt có khả năng hỗ trợ hệ điều hành riêng, cung cấp tính năng cấu hình, dịch vụ độc lập Các thiết bị, tính năng cung cấp bởi server ảo bao gồm:

- Hệ thống điều khiển Zone (ZC) được cấu hình có dự phòng, cung cấp chức năng quản lý động và xử lý tất cả các cuộc gọi thoại

- Hệ thống quản lý mạng (NMS) là một bộ phần mềm và công cụ phần cứng được cung cấp để quản lý hệ thống bộ đàm Trunking vùng rộng cùng các phần tử thuộc mạng

- Packet Data Gateway – Cung cấp dịch vụ gửi và nhận dữ liệu gói cho các máy cầm tay/ di động, các thiết bị truyền dữ liệu khác thông qua đường vô tuyến bằng cách chuyển đổi sơ đồ IP từ các đầu cuối không dây đến các đầu cuối kết nối có dây với mạng Hệ thống cũng bao gồm các bộ định tuyến dữ liệu gói (PDR) và cổng giao tiếp mạng vô tuyến (RNG)

a) Bộ điều khiển vùng- Zone controller

Bộ điều khiển vùng (ZC) là bộ xử lý trung tâm của hệ thống, có chức năng quản lý thuê bao, quản lý các trạm xa, kênh liên lạc và hệ thống điều khiển thoại trong hệ thống ZC chạy trên nền tảng phần cứng là máy tính đa năng kiêm server ZC cũng hỗ trợ cấu hình dự phòng với một máy hoạt động và một máy dự phòng nóng Thiết kế dự phòng nóng cho phép nâng cấp phần mềm hệ thống cho máy dự phòng trong khi máy chính vẫn tiếp tục xử lý cuộc gọi

Các chức năng chính của Zone Controller:

- Xử lý và khởi tạo tất cả các báo hiệu liên quan đến cuộc gọi

- Điều khiển và phân phối tài nguyên vô tuyến

- Xử lý việc đăng ký trạm cơ động và các công tác tạo lập nhóm

- Quản lý trạm cơ động

- Quản lý và phân phối tài nguyên kết nối điện thoại

- Cung cấp thông tin vị trí cho thiết bị giao tiếp dữ liệu

Hình 1.2: Máy chủ ảo

Hình 1.3: Trung tâm lưu trữ (DAS)

DAS là một trung tâm lưu trữ nằm trong cấu trúc server ảo dùng chung

để cung cấp khả năng lưu trữ dữ liệu Các đĩa cứng được cấu hình ở chế độ độc lập để khi 1 đĩa cứng bị lỗi thì máy chủ vẫn hoạt động được trên ở cứng còn lại trong khi chờ khắc phục ổ cứng hỏng

Hệ thống quản lý mạng gồm có máy chủ quản lý mạng (NMS)và thiết bị quản lý mạng (NMT) Phần mềm máy chủ quản lý mạng NMS cho phép người dùng có thể thiết lập, cấu hình và giám sát hệ thống

b Các chức năng của máy chủ quản lý mạng – NMS Functions

Máy chủ quản lý mạng (NMS) bao gồm một gói phần mềm ứng dụng và các thiết bị hỗ trợ để quản lý toàn bộ hệ thống vô tuyến chung kênh vùng rộng cùng các thành phần khác

NMS hỗ trợ FCAPS viết tắt của Fault – lỗi, Configuration – cấu hình, Accounting – tính cước, Performance – vận hành và Security – bảo mật với các dịch vụ sau:

5 chứng năng quản lý mạng chính là [5]:

- Quản lý lỗi (Fault Management): Các ứng dụng quản lý lỗi bao gồm việc giám sát tình trạng hoạt động của mạng cũng như tình trạng của các thiết bị thành phần mạng; hiển thị thông tin lỗi; chuyển thông tin lỗi; thể hiện các thủ tục kiểm tra lỗi

- Quản lý cấu hình hoạt động (Configuration Management): Các tính năng quản lý cho phép truy cập và thay đổi thông số vận hành của thiết

bị trong hệ thống và các thiết bị đầu cuối (máy cơ động, máy cầm tay)

- Quản lý tính cước: NMS cung cấp khả năng kiểm tra dung lượng sử dụng hệ thống bằng cách cung cấp một giao diện tùy chọn cho đơn vị thứ 3 dùng để tính cước cho các ứng dụng sử dụng

- Quản lý vận hành: Các ứng dụng tiêu chuẩn và tùy chọn được cung cấp để giám sát, báo cáo, điều khiển và tối ưu các tài nguyên của hệ thống

- Quản lý bảo mật: NMS có những tính năng cho người sử dụng để cài đặt và điều khiển quyền truy cập, xem, thay đổi thông tin trong cơ sở

Hình 1.4: Lan Switch

- Thiết bị định tuyến lõi - Core Router (CR)

Thiết bị Core Routers định tuyến tất cả các tín hiệu điều khiển, tín hiệu thoại, dữ liệu và lưu lượng vào ra hệ thống Số lượng bộ định tuyến phụ thuộc vào số lượng kênh truyền của hệ thống

Hình 1.5: Thiết bị định tuyến lõi

- Chuyển mạch lõi – Core Backhaul Switch

Chuyển mạch lõi giúp kết nối các trạm xa vào thiết bị định tuyến lõi Core router

Hình 1.6: Core Backhaul Switch

b Bộ điều khiển trạm gốc Repeater

Bộ điều khiển trạm Site Controller bao gồm hai khối điều khiển kết nối với nhau qua mạng LAN, và 2 điểm kết nối GPS từ xa Một khối điều khiển trạm sẽ hoạt động còn 1 khối sẽ standby để dự phòng Việc dự phòng nóng

đảm bảo nếu có 1 thiết bị hỏng thì sẽ có không làm ảnh hưởng đến chức năng của hệ thống

Bộ điều khiển Site Controller cung cấp các tính năng điều khiển trạm như sau:

- Quản lý trạm và các kênh liên lạc

- Gửi yêu cầu đăng ký và kích hoạt

- Cung cấp thông tin tham chiếu về thời gian và tần số cho các trạm thu phát gốc

- Giám sát các trạm gốc và các thiết bị phối ghép vô tuyến

Dưới sự phân quyền của bộ quản lý vùng Zone Controller và tùy thuộc vào tình trạng hoạt động của hệ thống, bộ điều khiển trạm Site Controller có thể điều khiển hoạt động của trạm ở cả chế độ chung kênh vùng rộng và chế

độ chung kênh tại trạm (wide trunking và site trunking) Khi trạm không ở chế độ chung kênh vùng rộng, Site Controller sẽ điều khiển các kênh vô tuyến tại trạm, việc lựa chọn kênh điều khiển cũng như các lựa chọn và gán các kênh liên lạc cho thuê bao đầu cuối

c Hệ thống phối ghép tần số vô tuyến

Hệ thống phối ghép tần số vô tuyến cung cấp khả năng làm việc giữa trạm gốc và anten, bao gồm thiết bị ghép kênh phát combiner và thiết bị phân kênh thu multicoupler

d Bộ định tuyến trạm

Giao diện làm việc giữa hệ thống trạm và thiết bị điều khiển vùng zone controller là một bộ định tuyến Các chức năng chính của bộ định tuyến tại trạm gồm [5]:

- Truyền tải toàn bộ lưu lượng thoại và tín hiệu điều khiển của trạm

- Cung cấp địa chỉ IP của trạm

- Phân mảnh các gói tin IP có dung lượng lớn

Bộ định tuyến tại trạm xa với khả năng quản lý mạng cung cấp việc quản lý hệ thống đồng thời nhận và gửi các tín hiệu cảnh báo lỗi

1.2.3 Bàn điều phối

Bàn điều phối bao gồm những thành phần sau:

- Một máy tính để bàn với màn hình 19” LCD cung cấp giao diện làm việc giữa điều phối viên và thiết bị

- Một khối xử lý thoại cung cấp giao diện giữa máy tính và các phụ kiện khác nhau

- 02 loa ngoài để chọn/ bỏ chọn tín hiệu thoại

- Một microphone là thiết bị đầu vào cho phép điều phối viên liên lạc với thiết bị đầu cuối trong những ứng dụng cho phép

- Một bàn đạp chân sử dụng cho PTT

- Một tai nghe

Hình 1.8: Bàn điều phối Bàn điều phối có thể được cấu hình cùng nhiều hệ thống bộ đàm chung kênh và thông thường có thể giám sát nhiều nhóm thoại cùng lúc Cho phép ghép nối nhiều nhóm liên lạc với nhau một cách nhanh chóng tức thì, cũng như giải toả các nhóm sau khi ghép

1.2.4 Máy chủ UNS cho ứng dụng giám sát GPS

Giải pháp định vị ngoài trời sử dụng hệ thống định vị GPS cho phép người dùng định vị, theo dõi các nhân viên và phương tiện của họ thông qua các thiết

bị GPS được tích hợp sẵn trong các bộ đàm Các thông tin về vị trí sẽ được truyền đi trong mạng vô tuyến trunking kỹ thuật số thông qua một cổng dữ liệu được gọi là cổng dữ liệu mạng hợp nhất UNS - Unified Network Service

Unified Network Service (UNS) hoạt động như một cổng dữ liệu trao đổi các thông tin về vị trí của các bộ đàm Nó đơn giản quá trình tích hợp thông tin bằng cách tiếp nhận các giao thức GPS riêng biệt (được gọi chung là LRRP) sau

đó chuyển đổi thành một giao thức chung, hợp nhất để từ đó đưa tới các ứng dụng định vị GPS Ngoài ra, UNS còn cung cấp tính năng định tuyến thông

minh các bản tin tới các thiết bị, từ đó giảm thiểu được lưu lượng truyền tải trong mạng

Như được chỉ ra trong hình bên dưới, UNS kết nối tới mạng trunking và sử dụng các dịch vụ dữ liệu gói để kết nối không dây tới các thiết bị đầu cuối [5]

Hình 1.9: Mô hình ứng dụng GPS

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SIÊU CAO TẦN 2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch siêu cao tần

Hình 2.1: Biểu diễn mạch tương đường đoạn đường truyền siêu cao tần

Trong đó: R - Điện trở nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây Ω/m

L - Điện cảm nối tiếp trên một đơn vị dài của cả hai dây,

H/m

G - Điện dẫn song song trên một đơn vị dài, S/m

C - Điện dung song song trên một đơn vị dài, F/m

Phương trình truyền sóng như sau [1]:

( ) ( ) ( ) (2.1) ( )

( ) ( ) Với 2

( )  ( ) ( )

biểu thị cho sóng truyền theo hướng +z (sóng thuận), còn số hạng chứa e-  z

biểu thị cho sóng truyền theo hướng –z (sóng ngược) [1]

và biểu thị cho biên độ điện áp và dòng điện sóng thuận

và biểu thị cho biên độ điện áp và dòng điện sóng ngược

2.1.2 Hệ số phản xạ

Nếu định nghĩa hệ số phản xạ là tỷ số của sóng phản xạ trên sóng tới thì từ phương trình truyền sóng ta xác định được hệ số phản xạ tại z = 0 (vị trí mắc tải) [1]

xạ Do vậy, biên độ [V] và [I] tại mỗi vị trí z sẽ có giá trị khác nhau Có những điểm, biên độ [V] hoặc [I] luôn đạt giá trị cực đại, ngược lại có những điểm luôn

có giá trị cực tiểu, nghĩa là biên độ điện áp (hoặc dòng điện) có dạng dao động theo z Sóng này được gọi là “sóng đứng” Như vậy sóng đứng sẽ xảy ra khi hệ

số phản xạ ≠ 0 [1]

Khi  = 0, trên đường truyền chỉ có một sóng là sóng tới, có dạng sóng chạy Như vậy sóng chạy sẽ xảy ra khi:  = 0 hay ZL = Z0 : ta nói đường truyền được phối hợp trở kháng [1]

Tỷ số biên độ của điện áp tại điểm bụng và điểm nút được gọi là hệ số sóng đứng viết tắt là S [1]



 (2.7) Khi  = 0 (phối hợp trở kháng), ta có hệ số sóng đứng S = 1, nghĩa là biên

độ của sóng điện áp (hoặc dòng điện) có giá trị như nhau trên suốt chiều dài của đường truyền Sóng trên đường truyền được coi là sóng chạy Từ (2.7) ta rút ra được quan hệ giữa hệ số sóng đứng S và hệ số phản xạ  :

Ta có thể nghĩ rằng ngày nay khi máy tính đã phát triển thì ứng dụng của biểu

đồ Smith này không quan trọng nữa nhưng ngược lại nó cho ta thấy sự tiện ích nhiều hơn là của máy tính với biểu đồ thông thường Ngày nay biểu đồ Smith là một phần của thiết kế máy tính với các phần mềm thiết kế siêu cao tần Nhờ có

nó ta có thể dễ dàng tính toán, hiểu được mạch lọc đường truyền siêu cao tần, dễ dàng giải quyết các công việc của kỹ thuật siêu cao tần như vấn đề phối hợp trở kháng [6]

Đồ thị Smith chính là biểu diễn hình học của hệ thức [1]:

  (2.9) Hay viết dưới dạng trở kháng chuẩn hóa như sau:



Trong đó zL = ZL/R0 chính là trở kháng chuẩn hóa theo R0.

Thay zL = rL + ixL và  = r + ii vào (2.9) ta nhận được:

Cân bằng phần thực và phần ảo của (2.12) ta được 2 phương trình:

Hình 2.2: Giản đồ Smith

2.2 Phối hợp trở kháng

Phối hợp trở kháng là vấn đề quan trọng trong kỹ thuật chế tạo các thiết bị cao tần dựa trên cơ sở áp dụng kiến thức về lý thuyết đường dây truyền sóng Mạch phối hợp trở kháng là mạch không tổn hao để tránh làm giảm công suất và được thiết kế sao cho trở kháng vào nhìn từ đường truyền có giá trị bằng trở kháng Z0 của đường truyền Sơ đồ phối hợp trở kháng cơ bản được mô tả như hình sau [1]:

âm thấp

- Đối với mạng phân phối công suất siêu cao tần (ví dụ mạng tiếp điện cho dàn anten gồm nhiều phần tử), phối hợp trở kháng sẽ làm giảm sai số về biên độ

và pha khi phân chia công suất

Sau đây sẽ đề cập đến một số phương pháp phối hợp trở kháng cơ bản:

2.2.1 Kỹ thuật phối hợp trở kháng dùng các phần tử tập trung

Mạch phối hợp đơn giản nhất là loại chỉ gồm hai phần tử điện kháng mắc thành hình chữ L (thuận hoặc nghịch), được gọi là mạch hình L Giả thiết đường truyền dẫn không tổn hao (hay tổn hao thấp), có nghĩa Z0 là đại lượng thuần trở [1]

Hình 2.4: Mạch phối hợp trở kháng hình chữ L

- Khảo sát hình 2.6(a)

Giả sử ZL = RL + ixL Điều kiện để đạt được phối hợp trở kháng là trở kháng nhìn từ đường truyền vào mạch phối hợp bao gồm cả tải phải bằng Z0, nghĩa là:

(2.17) Mạch này được ứng dụng trong trường hợp RL > Z0

Trường hợp RL > Z0, trở tải chuẩn hóa ZL = rL + ixL sẽ có phần thực rL > 1

Do vậy, điểm biểu diễn cho ZL trên giản đồ Smith sẽ nằm bên trong vòng tròn r

= 1

Ngược lại, trường hợp RL < Z0, điểm biểu diễn ZL trên giản đồ Smith sẽ nằm bên ngoài vòng tròn r = 1

2.2.2 Phối hợp trở kháng dùng một dây nhánh/dây chêm

Phối hợp trở kháng bằng dây nhánh là phương pháp được sử dụng khá phổ biến do đơn giản và dễ điều chỉnh Có thể mắc dây nhánh vào đường truyền theo

sơ đồ song song hoặc nối tiếp với đoạn dây hở mạch hoặc ngắn mạch như hình minh họa dưới đây:

Hình 2.5: Phối hợp trở kháng bằng các đoạn dây nhánh

Thường việc điều chỉnh vị trí mắc dây chêm hay độ dài dây nhánh được thực hiện theo cách tiếp xúc trượt Đây là nhược điểm vì khó đảm bảo sự liên tục về trở kháng hoặc tiếp xúc kém Để khắc phục nhược điểm này người ta dùng phương pháp phối hợp bằng dây chêm đôi đặt cách nhau khoảng cách cố định /8, /4, 3/8 trên đường truyền sóng Các dây chêm có thể ở tình trạng hở mạch hoặc ngắn mạch đầu cuối [1]

Hình 2.6: Phối hợp trở kháng bằng dây chêm đôi song song

2.2.3 Phối hợp trở kháng bằng đoạn dây /4

Đoạn dây /4 là phương pháp đơn giản để phối hợp một trở kháng tải thực với đường truyền Một đặc điểm của đoạn dây /4 là chúng dễ dàng mở rộng

băng thông, phương pháp này để phối hợp cho cả một dải tần số Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chỉ sử dụng được để phối hợp cho trường hợp trở kháng tải là thực Với một trở kháng phức chúng ta có thể sử dụng một đoạn đường truyền hoặc dùng dây nhánh để đưa trở kháng này về trở kháng thực, sau đó dùng phương pháp đoạn dây /4 để phối hợp Ta biết một đoạn dây dẫn dài /4 thoả mãn hệ thức sau [1]:

√ (2.20) Tại tần số yêu cầu f0, thì chiều dài đoạn phối hợp trở kháng này có giá trị là

0/4, nhưng đối với tần số khác thì nó sẽ có một giá trị khác, chính vì thế ta sẽ chỉ đưa ra các biểu diễn mang tính xấp xỉ

Hình 2.7: Sơ đồ sử dụng đoạn dây /4

Giá trị trở kháng lối vào nhìn từ phía đoạn một phần tư bước sóng được tính theo công thức sau:

(2.21) Với t = tan(l) = tan(), l =  = /2 và thì:

√ (2.22) Biên độ của hệ số phản xạ khi đó được tính như sau:

| | | |

( )

= [ [

( ) ]  ]

(2.23)

Với 1+t2 = 1 + tan2 = sec2

Giả sử tại tần số gần với tần số thiết kế f0, thì l  0/4 và   /2, thì sec2 >> 1

và phương trình (2.23) có thể viết lại dưới dạng đơn giản như sau:

| |  | | √ |  |, với   /2 (2.25) Phương trình (2.25) đánh giá về hệ số phản xạ tại tần số không phối hợp gần với thành phần tần số yêu cầu

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT VÀ CHIA CỘNG CÔNG SUẤT

3.1 Khái niệm bộ khuếch đại công suất

Khuếch đại công suất là biến đổi tín hiệu có biên độ nhỏ ở đầu vào thành một tín hiệu có biên độ lớn ở đầu ra mà không làm thay đổi dạng tín hiệu

3.2 Các thông số quan trọng của bộ khuếch đại công suất

3.2.1 Hệ số tạp âm Noise Figure

Khi các mạch được cấp nguồn, các điện tử dao động một cách ngẫu nhiên

Sự dao động này tạo ra nhiệt Đối với các mạch cao tần, chuyển động này là vô cùng lớn, lượng nhiệt sinh ra là đáng kể Lúc này nó hình thành một kênh tạp âm

và ảnh hưởng đến tín hiệu truyền trên hệ thống Trong hệ thống RF, tạp âm được kết hợp từ nhiều nguồn khác nhau [3]

Tạp âm nội: tạp âm nội được tạo ra bên trong hệ thống, nên được gọi là tạp

âm nội Có ba loại tạp âm nội chính trong hệ thống RF là: Thermal Noise, Shot Noise, Flicker Noise

- Tạp âm nhiệt (Thermal Noise)

Đây là loại tạp âm được sinh ra từ sự chuyển động của các điện tử trong các vật dẫn điện hoặc các chất bán dẫn gây ra bởi các hiệu ứng nhiệt Trong các linh kiện điện tử, các tín hiệu ngẫu nhiên được tạo ra trong các cấu kiện điện tử

có công suất tỉ lệ thuận với nhiệt độ của cấu kiện này [3]

Công suất tạp âm được định nghĩa:

(3.1) Trong đó: P: công suất tạp âm (W)

k: hằng số Boltzmann (J/K)

T: Nhiệt độ vật dẫn (K)

: băng thông (Hz)

- Shot Noise (Shottky Noise)

Là một loại tạp âm điện, xảy ra khi có một số phần tử xác định mang năng lượng như electron trong các mạch điện, photon trong các thiết bị quang đủ nhỏ

để gây ra những sự dao động có thể dò được trong các thiết bị đo lường hay các thiết bị bán dẫn [3]

Giá trị của loại tạp âm này tăng theo độ lớn trung bình của dòng điện hay cường độ của ánh sáng Shot Noise tương tự Thermal Noise, cũng có phân bố dạng Gaussian (tạp âm trắng) [3]

Trong đó: I: Dòng điện tạp âm hiệu dụng (A)

q: giá trị điện tích electron 1.6 x 1019

(C)

IDC: dòng điện DC (A)

: băng thông (Hz)

- Flicker Noise (1/f Noise)

Còn gọi là Pink Noise, thường xuất hiện ở tần số thấp Flicker Noise có mật độ phổ công suất tỉ lệ nghịch với tần số Flicker Noise không ảnh hưởng nhiều đến mạch

(3.5) Với Fx và Gx lần lượt là hệ số tạp âm và Độ lợi tại tầng thứ x

Từ công thức (3.5) ta thấy được Độ lợi khuếch đại và tạp âm tại tầng thứ nhất là vô cùng quan trọng, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống